JP2002196381A

JP2002196381A - 光波長変換素子およびその製造方法

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Publication number: JP2002196381A
Application number: JP2000391214A
Authority: JP
Inventors: Kiminori Mizuuchi; 公典水内; Kazuhisa Yamamoto; 和久山本; Kenji Kitamura; 健二北村; Yasunori Furukawa; 保典古川; Shunji Takegawa; 俊二竹川; Masaru Nakamura; 優中村
Original assignee: National Institute for Materials Science; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: National Institute for Materials Science; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-07-12
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: JP4613358B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ストイキオメトリックＬＮ結晶に形成した周期
状分極反転構造の一部を連続させて安定化し、光導波路
プロセス等による分極反転構造の不均一性の発生を押さ
え、高効率の光波長変換素子構造を提供する。【解決手段】Li₂O/(Nb₂O₅+Li₂O)のモル分率が49.5-50.2
%のストイキオメトリックLiNbO₃結晶基板１と、その結
晶表面に形成された分極反転部分２とを有し、前記分極
反転部分２が周期状に配置されており、その少なくとも
一部を接触させて連続化させた光波長変換素子とする。
基板１の表面に櫛形電極と基板の裏面に平面電極を形成
し、電極間に電圧を印加することで櫛形電極から分極反
転が成長し、結晶内部に向かって分極反転部とその連続
部が形成される。その後、プロトン交換光導波路３をプ
ロトン交換とアニール処理により形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非線形光学効果を
利用した光波長変換素子およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）単結
晶（以下、ＬＮとする）の温度−組成比の相関図（相
図）は古くから知られており、従来、組成の均質性の高
いＬＮを製造するためには、結晶と融液が同じ組成で平
衡共存する一致溶融（コングルエント）組成であるモル
分率が４８．５％（Ｌｉ／Ｎｂのモル分率は９４％）の
融液から回転引き上げ法で成長されていた。成長された
アズグロウンＬＮ単結晶は多分域状態となっているた
め、成長後の結晶をキュリー温度である１１５０℃以上
に加熱した状態で結晶のＺ軸方向に電圧を印加し、単一
分域化した後、結晶を冷却するポーリング処理を施され
ていた。単一分域化処理された結晶は所定の大きさに加
工された後、各種用途に使用されていた。ＬＮは高い光
学定数を有し、かつ大型結晶の成長が容易なため各種の
光学素子に応用されている。

【０００３】ＬＮ結晶の用途の一つとして、ＬＮ結晶の
有する高い非線形光学効果を利用した光波長変換素子が
ある。結晶内に周期状の分極反転構造を形成することで
位相整合条件の成立が可能となり任意の波長を高効率で
波長変換することが可能となる。コングルエントのＬＮ
結晶においては周期状の分極反転構造を形成する方法が
種々提案されている。例えば、Ｔｉ拡散を利用した方法
がある。コングルエント組成のＺ板ＬＮ基板表面にスト
ライプ状のＴｉ金属を周期状に形成し、これを基板のキ
ュリー温度近くで熱処理することで周期状の分極反転構
造を形成する。形成された分極反転構造は結晶表面を底
面とする逆三角形形状であり、この分極反転構造を利用
して光波長変換素子が製造されている。

【０００４】また、ＳｉＯ₂の堆積と熱処理による方法
もある。この方法はコングルエント組成のＺ板ＬＮ基板
の表面にストライプ状のＳｉＯ₂膜を周期状に形成し、
これを熱処理する方法である。基板のキュリー温度近く
まで熱処理することで、Ｔｉ拡散による方法と同様の逆
三角形の分極反転構造が形成され、これを利用して光波
長変換素子が製造されている。

【０００５】また、従来の他の光波長変換素子の製造方
法として電界印加による分極反転形成を利用した方法が
ある。コングルエント組成のオフカット板ＬＮ結晶の表
面に櫛形電極を形成し、電界を印加することで基板のＺ
軸方向に向かって分極反転構造を形成する方法で、結晶
内を斜め方向に針状の分極反転構造が周期的に形成でき
る。分極反転は半円に近い逆三角形で基板表面を底面と
して形成される。この方法を利用して光波長変換素子が
製造されている。周期的な分極反転構造による非線形グ
レーティングを利用し、導波路内で基本波と高調波との
位相整合をとることで、高効率の波長変換が行われてい
る。

【０００６】従来ＬＮ単結晶は、従来組成の均質性の高
いＬＮを製造するためには、結晶と融液が同じ素子で平
衡共存する一致溶融（コングルエント）組成であるＬｉ
₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が４８．５％の
融液から回転引き上げ法で成長されていた。形成される
結晶のモル分率は溶液の組成と等しく４８．５％（Ｌｉ
／Ｎｂのモル分率は９４％）であり、キュリー温度は約
１１５０℃であった。これに対し、Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ
₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が４９．５〜５０．２％と化学
量論比に近いストイキオメトリックＬＮ結晶の成長が最
近可能になった（特開平１０−４５４９８号公報）。作
製方法は、２重坩堝法によるもので、結晶引き上げの際
に、ニオブ酸リチウム溶液の組成をリチウム成分の過剰
なＬｉ ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率を５６〜
６０％の特定範囲に保った溶液組成とし、自動的に原料
を供給する手段を備えた２重坩堝法を用いる。ストイキ
オメトリックＬＮはアズグロウンで単分域化されている
ため成長後のポーリング処理が不要で結晶成長と光学的
均質性の良いことを特徴とする。さらに、コングルエン
ト組成の結晶に対し、キュリー温度が１１８５〜１２１
５℃高い特徴を有する。

【０００７】ストイキオメトリックＬＮはコングルエン
ト組成ＬＮに対し、わずかなモル分率の変化であるが、
化学量論比に近づくに従いその結晶特性は大幅に異な
る。特に結晶のモル分率が４９．５〜５０．２％（Ｌｉ
／Ｎｂのモル分率は９５〜１０１％）の範囲で従来のコ
ングルエント組成の結晶とは大きく異なる光学特性を有
する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】コングルエント組成に
おける周期状の分極反転構造の形成およびそれを利用し
た光波長変換素子については、種々の分極反転製造方法
および光波長変換素子の構成が報告されている。しかし
ながら、結晶中のＬｉ，Ｎｂ比を制御したストイキオメ
トリック組成の結晶においては、周期状の分極反転構造
の形成およびその特性が明らかにされていないという問
題がある。

【０００９】また、ストイキオメトリック組成のＬＮ結
晶は、未だ分極反転特性が明らかにされておらず、分極
反転特性が従来のコングルエント組成とは大きく異なる
ため従来の分極反転形成方法では、分極反転構造が形成
し難いという問題がある。

【００１０】コングルエント組成のＬＮを利用した波長
変換素子は高い変換効率が達成されており、高効率で青
色、緑色の波長領域の変換光が確認されている。しかし
ながら、コングルエント組成のＬＮ結晶を用いた光波長
変換素子は、光損傷の発生による出力不安定化が大きな
問題となっている。光波長変換素子の出力安定化には、
耐光損傷強度の向上が望まれている。ＬＮの耐光損傷強
度（光損傷の発生しない最大光強度）の値は、導波路形
状に依存するが波長４００ｎｍ帯の光に対して１ｍＷ以
下、ＭｇドープのＬＮ基板に形成したプロトン交換導波
路でも数１０ｍＷ程度であり、高出力の光波長変換素子
を実現するには、耐光損傷強度の向上が求められてい
る。

【００１１】本発明は、前記従来の問題を解決するた
め、ストイキオメトリックＬＮ結晶に形成した周期状分
極反転構造において、安定な分極反転構造を得、この分
極反転構造を用いることで光導波路プロセス等による分
極反転構造の不均一性の発生を押さえ、高効率の光波長
変換素子構造を実現し、さらに、分極反転形成位置を精
密に制御できるようにし、これによって光波長変換素子
を形成する際の歩留まり向上および第２次高調波（ＳＨ
Ｇ）素子特性を向上させた光波長変換素子およびその製
造方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光波長変換素子は、Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅
＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が４９．５〜５０．２％のスト
イキオメトリックＬｉＮｂＯ₃結晶と、前記結晶表面に
形成された分極反転部分とを有し、前記分極反転部分が
周期状に配置されており、前記分極反転部分の少なくと
も一部が連続していることを特徴とする。

【００１３】次に本発明の光波長変換素子の製造方法
は、Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率が４
９．５〜５０．２％のストイキオメトリックＬｉＮｂＯ
₃結晶の一方の面に櫛形電極を形成し、前記結晶の他方
の面に平面電極を形成し、前記櫛形電極の一部を前記結
晶表面に絶縁膜を介して接触させて連続させ、前記電極
間に電界を印加して周期状の分極反転構造を形成するこ
とを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明は、ストイキオメトリック
ＬＮ結晶における安定な周期状分極反転構造を見いだし
た点にある。ストイキオメトリックＬＮ結晶における高
効率な光波長変換素子を構成するには均一な周期状分極
反転構造が不可欠であり、結晶的に安定な周期状分極反
転構造が必要とされる。

【００１５】また、ストイキオメトリックＬＮ結晶にお
いて周期状分極反転構造を形成するための新たな形成方
法を提案する。ストイキオメトリックＬＮ結晶において
は、分極反転構造の形成場所を精度よく決めるのが難し
いという問題が見いだされた。そこで、この問題を解決
する分極反転形成方法を提案することで、分極反転構造
の形成場所を高精度で制御することを可能とし、青色か
ら紫外にかけて高効率な光波長変換素子の実現を可能に
した。

【００１６】ストイキオメトリックＬＮはコングルエン
ト組成ＬＮに対し、わずかなモル分率の変化であるが、
化学量論比に近づくに従いその結晶特性は大幅に異な
る。特に結晶のモル分率が４９．５〜５０．２％の範囲
で従来のコングルエント組成の結晶とは大きく異なる光
学特性を有し、今回見いだされた分極反転特性について
も、このモル分率を有するストイキオメトリックＬＮ特
有の効果である。

【００１７】ストイキオメトリックＬＮは、最近作製が
可能になった結晶であり、その光学特性および分極反転
特性については、未だ総てが明らかにされていない。特
に分極反転特性については、本発明者らが初めて明らか
にしたものである。また、この特性を利用した光学素子
特性の向上については、さらに未開拓な分野であった。

【００１８】本発明においては、前記接触部分は前記分
極反転部分の底部であることが、分極反転構造の安定性
から好ましい。

【００１９】また本発明においては、前記結晶のＣ軸が
前記結晶表面に対し、０．３〜１０°の範囲で傾いてい
ることが、深い分極反転構造の形成が可能になることか
らから好ましい。

【００２０】また本発明においては、前記ストイキオメ
トリックＬｉＮｂＯ₃結晶のキュリー温度が、１１８５
〜１２０５℃の範囲であることが、非線型光学案定数の
向上が図れ、高効率の波長変換素子が形成できることか
ら好ましい。

【００２１】また本発明においては、前記結晶がＭｇ，
Ｚｎ，Ｓｃ，Ｉｎのいずれかの添加物を０．０３重量％
以上１重量％以下の範囲含有させることが、結晶の耐光
損傷強度を増大させ、高出力特性を向上させることから
好ましい。０．０３重量％未満では、前記の作用効果は
発現しにくく、１重量％を超えると結晶構造が不均一に
なり、ＳＨＧ特性が劣化する傾向となる。

【００２２】また本発明においては、前記分極反転部の
周期が３．５μｍ以下であると、波長４００ｎｍ帯のＳ
ＨＧ光発生可能になることから好ましい。

【００２３】次に本発明方法においては、前記櫛形電極
が、周期状のグレーティング構造からなる歯の部分と、
前記歯の部分を互いにつなぐストライプ部分から構成さ
れ、前記ストライプ部分が前記結晶表面と絶縁膜を介し
て接触していることが、形成された分極反転構造が均一
になることから好ましい。

【００２４】また、前記結晶のＣ軸が前記結晶表面に対
し、０．３〜１０°の範囲で傾いていることが、導波路
の伝播損失が小さくなることから好ましい。

【００２５】また、前記周期状分極反転部分の連続部分
が、断面から見て前記周期状分極反転部分の厚さの５〜
２００％の範囲であることが、分極反転構造の安定性が
向上することから好ましい。

【００２６】

【実施例】（実施例１）ＬＮ結晶の光学定数の向上を目
的としたストイキオメトリック組成のＬＮ結晶が提案さ
れている（特開平１０−４５４９８号公報）。Ｌｉ₂Ｏ
／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分率を４９．５〜５
０．２％のＬＮを用いることで、結晶内の欠陥密度の低
減が図れ、電気光学定数、非線型光学定数等の各種定数
の増大が確認されている。さらに光散乱が少なく波長４
００〜６００ｎｍの可視光領域での光透過特性にも優れ
ている。発明者らは、このストイキオメトリックＬＮ結
晶における周期的分極反転構造の形成を試みた。コング
ルエント組成のＬＮはパターン電極による周期状分極反
転構造が可能である。印加電圧は約２０ｋＶ／ｍｍと非
常に高い印加電圧が必要である。形成された分極反転構
造は安定で５００℃程度の熱処理および導波路形成に必
要なプロトン交換によっても反転構造は変化せず安定で
ある。これに対し、ストイキオメトリックＬＮは分極反
転に必要な印加電圧が極端に低下する。分極反転に必要
な電圧は５ｋＶ／ｍｍ以下であった。これはＬｉ、Ｎｂ
の組成が完全結晶に近いストイキオメトリックＬＮは結
晶内における結晶欠陥が少ないため、分極反転に対向す
る内部抵抗が少なくなるためである。低電圧で分極反転
が可能なため絶縁破壊が生じにくく厚い結晶にも分極反
転構造の形成が容易である。

【００２７】本発明者らは、ストイキオメトリックＬＮ
の分極反転特性について詳細に検討したところ、外乱に
より形成された分極反転が再反転し、分極反転構造に不
均一性を増大させることを見いだした。分極反転電圧が
極端に低下することで分極反転構造の不安定性が増大し
たと考えられる。波長４５０ｎｍ以下の青色〜紫外にか
けての第２次高調波（ＳＨＧ）の光発生を行うには、周
期３．５μｍ以下の短周期の分極反転構造が必要であ
る。ところが分極反転構造を３．５μｍ以下の短周期構
造にした場合、その不安定性の現象が顕著に現れた。原
因は、熱処理時に発生する焦電電界により分極反転が再
反転したためと考えられる。

【００２８】ストイキオメトリックＬＮ結晶は反転電圧
が低いため、焦電効果により発生した電界が分極反転構
造に影響を与える。周期３〜３．５μｍの周期状分極反
転構造を形成したストイキオメトリックＬＮ基板の温度
を急激に変化させたところ、周期状の分極反転構造が一
部再反転し、形成された分極反転構造の均一性が劣化し
た。これは従来のコングルエント組成のＬＮでは観測さ
れなかった現象である。また分極反転の均一性が劣化す
る現象は高温で熱処理する場合にも生じた。

【００２９】本発明者らは、短周期の分極反転構造の安
定化について種々検討を行ったところ、分極反転構造に
より再反転の発生が異なることを見いだした。即ち、幾
つかの分極反転構造においては急激な温度変化や高温の
熱処理に対しても分極反転構造を安定に保てることを見
いだした。通常分極反転構造は非線形グレーティングを
構成するため、分極反転部と非反転部分が交互に存在す
る。短周期になると形成される分極反転部の断面積は小
さくなる。これによって分極反転部の不安定性が増大し
た。

【００３０】周期３．５μｍ以下の短周期構造では、熱
処理等により形成された分極反転構造が変化した。これ
に対し、隣接する分極反転構造の一部が互いに接触して
連続化することで、分極反転構造の安定性が大幅に向上
した。ストイキオメトリックＬＮにおいても周期が１０
μｍ以上の反転構造においては構造の安定性は問題がな
い。ところが、周期３．５μｍ以下の短周期構造におい
ては構造の不安定性が顕著になった。これに対し、隣接
する分極反転構造の一部を違いに接触させて分極反転の
断面積を大きくしたところ、分極反転構造の安定性が大
幅に向上することがわかった。

【００３１】次に、分極反転を形成する基板結晶の方位
について検討した。Ｚ板の基板において、形成される分
極反転構造は比較的安定であった。これに対し、オフカ
ット基板に形成した分極反転構造は外乱による再反転現
象の発生が顕著であり、不安定性が増大した。これはオ
フカット基板に形成される個々の分極反転部の断面積が
制約されるためである。オフカット基板で形成される分
極反転は電極先端で発生し、結晶軸に沿って基板内部に
形成される。隣接する分極反転部は互いに非接触でそれ
ぞれの分極反転部が独立しているため、各反転部の断面
積は１０μｍ²程度と小さくなる。そこで、オフカット
のストイキオメトリックＬＮにおける安定な分極反転構
造について検討した。結晶はオフカット基板のストイキ
オメトリックＬＮ結晶で、結晶のＸ軸が基板表面の法線
に対し３°傾いている。

【００３２】図１（ａ）は本発明の一実施例の光波長変
換素子の斜視図、図１（ｂ）は同平面図である。

【００３３】図１（ａ）に示すように、基板１の表面に
櫛形電極４を、基板の裏面に平面電極５を形成し、電極
間に電圧を印加することで櫛形電極から分極反転が成長
し、結晶内部に向かって分極反転部６（図２（ａ）〜
（ｃ））が形成された。形成した分極反転構造を断面
（図１（ｂ）のＸ−Ｘ線断面）から観測した。この断面
を図２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。

【００３４】電極構造と電界印加条件を変えて、図２
（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す分極反転構造断面を形成し
た。図２（ａ）は隣接する分極反転が接触していない構
造、図２（ｂ）は隣接する分極反転場合が上面近傍で接
触している構造、図２（ｃ）は隣接する分極反転が底面
近傍で接触している構造である。図２（ａ）は従来の分
極反転構造であり、分極反転構造の安定性に問題があっ
た。これに対して本発明の一実施例である図２（ｂ）〜
（ｃ）の構造にすることで温度変化や高温処理に対して
も安定性が大幅に向上した。図２（ａ）は理想的な形状
である。ただし、ストイキオメトリック結晶において
は、図２（ａ）の構造を形成するには分極反転部分をか
なり小さく制限する必要があった。すなわち、印加する
電流量を極端に制限することで図２（ａ）の形状の形成
が可能となった。ただし、この場合の分極反転厚みは
０．５μｍ以下となり、高効率の光波長変換素子の形成
は難しかった。さらに加える電流量を増やしていくと、
図２（ｂ）の形状の分極反転構造が形成できた。しかし
ながら、さらに電流量を増加させると、隣接する分極反
転部が互いに接触し、部分的に連続化し、周期構造が観
測されなくなった。図２（ｃ）の形の分極反転構造を形
成するには、印加する電圧を短パルス化する必要があ
る。図２（ａ）〜（ｂ）の方法では印加する電圧は０．
１〜１ｓ以上の印加時間を有する。これに対し、数ｍｓ
以下の短パルスの電圧を印加することで、図２（ｃ）の
分極反転構造の形成が可能となった。とくに印加パルス
電圧は５ｍｓ以下の短パルスが好ましい。この傾向は、
ストイキオメトリックＬＮに特有の現象として観測され
た。分極反転形成は、ストイキオメトリックＬＮとコン
グルエントＬＮでは大きく異なることが明らかになっ
た。

【００３５】次に形成した分極反転構造を内に光導波路
を形成して図３に示す光波長変換素子を形成した。図３
は本発明の光波長変換素子、すなわち図２（ｃ）の分極
反転構造を有する光波長変換素子の構成を示している。
図３において、１はストイキオメトリック組成のＬＮ基
板、２は周期状分極反転構造、３はプロトン交換光導波
路である。分極反転構造２を形成した後、光導波路３は
プロトン交換とアニール処理により形成した。プロトン
交換層をストライプ状に形成した後アニール処理するこ
とで、高非線形性を有する低損失光導波路が形成でき
た。導波路内に波長８２０ｎｍの光を入射し、分極反転
構造により波長変換することで波長４１０ｎｍの紫色光
を発生する光波長変換素子を形成した。

【００３６】図２（ａ）の分極反転構造を用いて光波長
変換素子を形成すると、第２次高調波（ＳＨＧ）の変換
効率は５％以下であり、高効率の波長変換素子の製造は
難しかった。これは光導波路を形成するプロセスの影響
で分極反転構造に不均一性が生じたためと考えられる。
図２（ｃ）の分極反転構造を有する光波長変換素子は１
００ｍＷの半導体レーザに対し２０ｍＷの紫色光の発生
が可能であり効率２０％の効率波長変換を達成した。こ
れに対し図２（ｂ）の分極反転構造において変換効率は
１／１０の２％に低下した。これは分極反転が光導波路
の表面近傍で接触しているため非線形グレーティングと
して機能が効率よく働かなかったためである。

【００３７】光導波路は２〜３μｍ程度の厚みであり、
光導波路を伝搬する光のパワー密度が最も高いのは導波
路表面から１μｍ程度のところである。基本波と高調波
のオーバラップもこの部分で最大となる。分極反転構造
が表面近傍で互いに接触すると光導波路の表面近傍にお
いて波長変換が生じなくなるので変換効率が大幅に減少
する結果となった。これに対し、図２（ｃ）の構造で
は、分極反転が導波路底面部で接触し連続しているた
め、導波路表面近傍における波長変換が阻害されること
なく高効率の波長変換を達成することができた。前記図
２（ｃ）の構造において、周期状分極反転部分６の連続
部分８は、周期状分極反転部分６の厚さの約１０％であ
った。分極反転構造の安定性と変換効率特性をまとめる
と、表１の結果となる。電極部分の厚さは、分極反転部
分の５％以上が安定化のために必要である。ただし、そ
の厚みが周期状の部分厚みに対し、２倍を超えると周期
状の反転部分の厚みは減少するため、２倍以下に抑える
のが好ましい。

【００３８】

【表１】

【００３９】表１において、分極反転構造の安定性の○
は、安定性に問題ないことを示す。具体的には、４００
℃程度の熱処理プロセスが分極反転形状に影響を与えな
いことを確認した。同×は４００℃程度の熱処理プロセ
スにより分極反転形状に変化が観測された。変換効率の
○は、１００ｍＷの基本波に対して２０％以上の変換効
率が得られた。同×は１００ｍＷの基本波に対して、数
％の変換効率しか得られなかった。

【００４０】分極反転構造の安定性と高効率の波長変換
を実現できるのは、図２（ｃ）の構造においてである。

【００４１】ＡｌＧａＡｓ系の波長可変ＤＢＲ半導体レ
ーザ（波長８２０ｎｍ）が用いて短波長光源を実現でき
た。波長可変ＤＢＲ半導体レーザは、活性領域とＤＢＲ
領域の２電極から構成され、ＤＢＲ領域への注入電流を
調整することにより、発振波長を調整することができ
る。半導体レーザと導波路型の光波長変換素子を直接結
合することで小型の短波長光源を実現できた。半導体レ
ーザ出力１００ｍＷに対して光導波路に６０ｍＷの半導
体レーザ光が結合した。

【００４２】導波損失は−０．５ｄＢ／ｃｍと従来の導
波損失の１／２となり、低損失の光導波路が実現でき
た。ストイキオメトリックＬＮを用いることで結晶の透
過率を上げることが可能となり、同時に、低電圧の電界
印加による分極反転が形成されるため、分極反転時に結
晶に与えるダメージが少なくなり、分極反転構造内に低
損失の光導波路の形成が可能となった。

【００４３】さらに、隣接する分極反転部を違いに接触
することで分極反転部の境界で発生していたわずかな屈
折率変化による光導波路の伝搬損失の増大が低減したた
めである。このため、非常に低損失の光導波路形成が可
能になった。さらに、光波長変換素子の変換効率は約５
０％になり、従来の２倍以上に向上することができた。
これは、導波路損失の低減に加え、基板の非線形光学定
数が向上したためで、ストイキオメトリックＬＮ結晶は
コングルエント組成ＬＮ結晶に比べ１．２倍以上の非線
形光学定数を有するためである。さらに高い屈折率変化
を利用して、光導波路のプロトン濃度を低減することが
可能であるため、導波路内の非線形光学定数の増大が実
現し、高効率の光波長変換素子が形成できた。

【００４４】なお、本実施例では、基板としては３°オ
フカットのＸ板ストイキオメトリックＬＮについて検討
したが、基板のオフカット角（基板表面の法線と結晶の
Ｘ軸のなす角度）は０．３〜１０°が望ましい。オフカ
ット角はわずかに存在することで分極反転が結晶のＺ軸
に沿って成長するため深い分極反転構造が形成される。
しかしながら、オフカット角が浅くなるに従い分極反転
の厚みは減少し、０．３°以下になると通常のＸ板に形
成される１μｍ程度の分極反転構造しか形成されなくな
る。

【００４５】一方、オフカット角が厚くなると深い分極
反転構造が形成され高効率の光波長変換素子の製造が可
能となる。しかし、オフカット角の増大とともに形成さ
れるプロトン交換光導波路の伝搬損失が増大する。１０
°以上の角度では伝搬損失が３ｄＢ／ｃｍ以上になり、
光波長変換素子の変換効率が大幅に低下するため好まし
くない。

【００４６】なお、本実施例では、ストイキオメトリッ
クＬＮにおける分極反転構造について検討したが、スト
イキオメトリックＬＮにＭｇ，Ｚｎ，Ｓｃ，Ｉｎのいず
れかの添加物を０．０３重量％以上添加することで、光
波長変換素子の特性を大幅に向上させることが可能とな
った。耐光損傷強度を向上させることで出力特性が向上
する。添加物を含まない結晶では１ｍＷ程度のＳＨＧ出
力に対しても、光損傷による出力の不安定現象が観測さ
れたが、添加物を入れることで５０ｍＷ以上のＳＨＧ出
力も安定に出力することが可能となった。

【００４７】なお、本実施の形態では、光波長変換素子
への応用について説明したが、その他、分極反転構造を
利用した光スイッチ、光偏光器、変調器等への応用につ
いても同様の素子特性の向上が図れた。例えば、３次元
導波路に周期状の分極反転構造を形成し、これに電界を
印加することで導波路内にグレーティング構造を形成／
消去することが可能となる。グレーティングを利用した
方向性結合器やＴＥ／ＴＭモード変換器、ＤＢＲグレー
ティング等の機能を電界印加により制御することが可能
となる。このようなグレーティング構造を形成する場合
にも、本発明の構成をとることで安定な形状を保つこと
が可能となる。

【００４８】また、光偏光器においてもグレーティング
によるＤＢＲを利用するもの３角の反転形状を利用しプ
リズム効果による偏光を実現するものがあるが、微細な
分極反転形成を利用する場合には、いずれも、分極反転
の一部を接触させることで安定な形状が実現できる。電
界印加による屈折率変化を利用するこれらの素子におい
ては、ストイキオメトリックＬＮを用いることで、高屈
折率の光導波路の利用が可能になることと、電気光学定
数の増大が図れることで、光学素子の特性が大幅に向上
できた。

【００４９】（実施例２）ここでは、ストイキオメトリ
ックＬＮにおける周期状分極反転構造の製造方法につい
て述べる。オフカット基板における周期状分極反転構造
の形成方法は図１に示す電極構造により分極反転を形成
した。分極反転は電極指の先端近傍で発生し、結晶のＺ
軸に沿って基板内部に形成された。これは、櫛形電極と
平面電極間に電圧を印加した場合、電極指の先端で電界
強度が最大に成るためである。

【００５０】これに対し、ストイキオメトリックＬＮに
おいては分極反転の形成される位置が電極指先端に限ら
れず、電極指の付け根やストライプ部分等でランダムに
発生することが見いだされた。これは、ストイキオメト
リックＬＮの反転電圧が低いため、電極内の電界分布に
おいて電界強度差が小さく成り、分極反転の発生場所が
比較的ランダム生じたためと考えられる。分極反転の形
成される位置が再現性よく決定されないと、光導波路位
置が決まらず光波長変換素子の高効率設計が再現性よく
できない。そこで、分極反転の形成される部分のみ電極
を基板に接触させる方法を見つけた。

【００５１】図４に本発明の光波長変換素子の製造方法
の構成を示す。ストイキオメトリック組成ＬＮオフカッ
ト基板１１の表面にストライプ状の電気絶縁膜１２を形
成した。電気絶縁膜１２としては、市販の感光性樹脂を
用いた。次に電気絶縁膜１２を介して櫛形電極１３を形
成した。基板の裏面には平面電極１４を形成した。櫛形
電極は周期状に電極部分が並んだ歯の部分１５と、歯の
部分をつなぐストライプ部分１６からなり、分極反転構
造の形成に必要な電極１５のみを基板に接触させて連続
させ、他の部分は電気絶縁膜により基板から絶縁した。
電極間に電圧を印加すると基板に接触した電極部分１５
から分極反転が発生し、周期状の分極反転構造が形成さ
れた。従来の方法では分極反転の形成位置は数１０μｍ
以上ばらついた。これに対し、本実施例の方法により製
造した分極反転構造は１μｍ以下の精度で分極反転構造
の位置を再現性よく決定することが可能となった。周期
状分極反転部分の連続部分は、実施例１と同様に周期状
分極反転部分の厚さの約１０％であった。

【００５２】従来の方法と本発明の方法により製造した
分極反転構造を用いて光波長変換素子を作製した。作製
方法としては、周期状の分極反転構造を横切るように光
導波路を形成した。光導波路は、選択マスクを用いてス
トライプ状にプロトン交換を行い作製した。作製した光
波長変換素子の変換効率を測定したところ、従来の方法
で作製した光波長変換素子の歩留まりは５％以下と低か
った。これは、分極反転部分の形成位置が決定できない
ため、光導波路と分極反転部分が効率よく重なる確率が
低いためである。

【００５３】これに対して、本発明の製造方法により作
製した光波長変換素子は８０％以上の高い歩留まりで作
製することができた。また、作製した光波長変換素子の
変換効率も従来の方法に対し２倍以上の変換効率が得ら
れた。本発明の製造方法により光導波路内に均一な周期
状分極反転構造の形成が可能になったからである。

【００５４】Ｍｇの高濃度添加に関しては、０．２ｍｏ
ｌ％以上の添加で耐光損傷強度は大幅に改善されるが、
２ｍｏｌ％以上添加することで、耐損傷強度は青色光に
対して７０ｍＷ以上に増大し、さらに３ｍｏｌ％以上添
加することで１００ｍＷの青色光の発生も可能になっ
た。これらのＭｇドープ量の増大によっても、結晶欠
陥、散乱損失の増大は観測されず、良好な光学特性が得
られた。

【００５５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ストイキ
オメトリックＬＮ結晶に形成した周期状分極反転構造に
おいて、隣接する分極反転部を一部接触させることで安
定な分極反転構造を得ることが可能となった。この分極
反転構造を用いることで光導波路プロセス等による分極
反転構造の不均一性の発生が押さえられ、高効率の光波
長変換素子構造を実現できるため、その実用効果は大き
い。

【００５６】また、分極反転構造を形成する際に、電極
の一部を基板と絶縁することで、分極反転形成位置を精
密に制御することが可能となった。これによって光波長
変換素子を形成する際の歩留まり向上およびＳＨＧ素子
特性の向上が可能となりその実用効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の一実施例の光波長変換素子の
斜視図、（ｂ）は同平面図である。

【図２】本発明の一実施例と従来例の光波長変換素子に
おける分極反転構造の断面図で、（ａ）は従来例の光波
長変換素子の分極反転構造を示す図、（ｂ）は本発明の
一実施例の上面が接触している分極反転構造を示す図、
（ｃ）は本発明の一実施例の下面が接触している分極反
転構造を示す図である。

【図３】本発明の一実施例の光波長変換素子の斜視図で
ある。

【図４】本発明の一実施例の光波長変換素子の製造方法
を示す斜視図である。

【符号の説明】

１ストイキオメトリック組成のＬＮ基板２周期状分極反転構造３プロトン交換光導波路４，１３櫛形電極５，１４平面電極６分極反転部７分極非反転部８分極反転部の連続部１１ストイキオメトリック組成ＬＮオフカット基板１２ストライプ状の電気絶縁膜１５電極の歯の部分１６電極のストライプ部分

フロントページの続き (71)出願人 500121621 古川保典埼玉県深谷市上柴町西四丁目17番地15号 (71)出願人 500121643 竹川俊二茨城県つくば市吾妻二丁目11番地801棟403 号 (71)出願人 500583151 中村優茨城県つくば市吾妻１丁目18−１番地406 棟402号 (72)発明者水内公典大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者山本和久大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者北村健二茨城県つくば市吾妻４丁目13番61号 (72)発明者古川保典茨城県つくば市竹園一丁目801番602号 (72)発明者竹川俊二茨城県つくば市吾妻二丁目11番地801棟403 号 (72)発明者中村優茨城県つくば市吾妻１丁目18−１番地406 棟402号Ｆターム(参考） 2K002 AB12 BA01 CA03 DA06 EA04 FA26 FA27 GA05 GA07 HA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分
率が４９．５〜５０．２％のストイキオメトリックＬｉ
ＮｂＯ₃結晶と、前記結晶表面に形成された分極反転部
分とを有し、前記分極反転部分が周期状に配置されてい
る光波長変換素子であって、前記分極反転部分の少なくとも一部が連続していること
を特徴とする光波長変換素子。
【請求項２】前記連続部分が、前記分極反転部分の底部
に存在する請求項１に記載の光波長変換素子。
【請求項３】前記結晶のＣ軸が前記結晶表面に対し、
０．３〜１０°の範囲で傾いている請求項１または２に
記載の光波長変換素子。
【請求項４】前記ストイキオメトリックＬｉＮｂＯ₃結
晶のキュリー温度が、１１８５〜１２０５℃の範囲であ
る請求項１〜３のいずれかに記載の光波長変換素子。
【請求項５】前記結晶がＭｇ，Ｚｎ，Ｓｃ，Ｉｎのいず
れかの添加物を０．０３重量％以上含有する請求項１〜
４のいずれかに記載の光波長変換素子。
【請求項６】前記分極反転部の周期が３．５μｍ以下で
ある請求項１〜５のいずれかに記載の光波長変換素子。
【請求項７】前記周期状分極反転部分の連続部分が、断
面から見て前記周期状分極反転部分の厚さの５〜２００
％の範囲である請求項１〜６のいずれかに記載の光波長
変換素子。
【請求項８】Ｌｉ₂Ｏ／（Ｎｂ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）のモル分
率が４９．５〜５０．２％のストイキオメトリックＬｉ
ＮｂＯ₃結晶の一方の面に櫛形電極を形成し、前記結晶の他方の面に平面電極を形成し、前記櫛形電極の一部を前記結晶表面に絶縁膜を介して接
触させて連続させ、前記電極間に電界を印加して周期状の分極反転構造を形
成する光波長変換素子の製造方法。
【請求項９】前記櫛形電極が、周期状のグレーティング
構造からなる歯の部分と、前記歯の部分を互いにつなぐ
ストライプ部分から構成され、前記ストライプ部分が前
記結晶表面と絶縁膜を介して接触させて連続させている
請求項７に記載の光波長変換素子の製造方法。
【請求項１０】前記結晶のＣ軸が前記結晶表面に対し、
０．３〜１０°の範囲で傾いている請求項８または９に
記載の光波長変換素子の製造方法。
【請求項１１】前記周期状分極反転部分の連続部分が、
断面から見て前記周期状分極反転部分の厚さの５〜２０
０％の範囲である請求項８〜１０のいずれかに記載の光
波長変換素子の製造方法。